JP2005024130A

JP2005024130A - スターリング冷凍機用熱交換器

Info

Publication number: JP2005024130A
Application number: JP2003187785A
Authority: JP
Inventors: Junichi Suda; 淳一須田
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】液タンク内の冷媒をスムーズに液冷媒流出管に導くことができるスターリング冷凍機用熱交換器を提供する。
【解決手段】スターリング冷凍機１１の冷却部１１ｂで熱交換して液冷媒を液タンク１３ｂに流下し、液冷媒を液タンク１３ｂに接続された液冷媒流出管１４ｂを通じて流出するスターリング冷凍機１１の熱交換器１３において、液タンク１３ｂのうち液冷媒流出口１３ｅ側が下位になるよう傾斜させた構造となっている。これにより、液タンク１３ｂに流下した液冷媒が傾斜に沿ってスムーズに液冷媒流出口１３ｅ側に流れ、液冷媒流出管１４ｂを通じて流出される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷蔵庫、自動販売機、ショーケース等の冷熱源であるスターリング冷凍機に用いられるスターリング冷凍機用熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷蔵庫、ショーケース等の冷熱源としてスターリング冷凍機が提案されている。以下、横置きされたスターリング冷凍機について説明する。
【０００３】
スターリング冷凍機は吸熱作用を有する冷却部を有しており、この冷却部に熱交換器を設置している。この熱交換器は冷却部の上部に設置されたガスタンクと、冷却部の下部に設置された液タンクと、冷却部の外面に接触させるとともにガスタンクと液タンクに連結した熱交換チューブとから構成されている。また、ガスタンクはガス冷媒流入管を通じて例えばショーケースの蒸発器の出口に接続し、液タンクは液冷媒流出管を通じて蒸発器の入口に接続されている。
【０００４】
ここで、スターリング冷凍機を駆動するときは冷却部が冷却される。この冷却作用により熱交換チューブ内のガス冷媒が凝縮され液化する。この液冷媒は液タンクに流下し、更に液冷媒流出管を通じて蒸発器に流下する。蒸発器に流下した液冷媒は蒸発器で庫内空気と熱交換して気化しガス冷媒となる。ガス冷媒はガス冷媒流入管を通じて上昇しガスタンクに戻る。ガスタンクに戻った冷媒は再び熱交換チューブで冷却され液タンクに流下する。このような冷媒循環によりショーケースの庫内が冷却される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２１３８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の熱交換器では、スターリング冷凍機を水平状態に設置し、これにより、熱交換器の液タンクも水平状態となっているため、液タンク内で液冷媒が滞留し易く、液冷媒流出管にスムーズに流下しないという問題点を有していた。また、液タンクの液冷媒流出口が１個のみとなっているため、液冷媒が液冷媒流出口から離れた箇所に流下したとき、この液冷媒が液タンク内に残留し易くなっていた。
【０００７】
本発明の目的は前記従来の課題に鑑み、液タンク内の冷媒をスムーズに液冷媒流出口に導くことができるスターリング冷凍機用熱交換器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、請求項１の発明はスターリング冷凍機と熱交換して液冷媒を液タンクに流下し、液冷媒を液タンクの液冷媒流出口を通じて流出するスターリング冷凍機用熱交換器において、液タンクのうちで液冷媒流出口側が下位になるよう傾斜させた構造となっている。
【０００９】
請求項１の発明によれば、液冷媒流出口側が下位になるよう傾斜させているので、液タンクに流下した液冷媒が傾斜に沿ってスムーズに液冷媒流出口側に流れる。
【００１０】
液冷媒流出口側が下位になるよう傾斜させる手段として、請求項２の発明のごとく、液タンクが連結したスターリング冷凍機を傾斜配置するようにしてもよいし、また、請求項４の発明のごとく、液タンクの底部に傾斜面を形成して前記液冷媒流出口側を下位にするようにしてもよい。なお、請求項２の発明において、スターリング冷凍機を配置する際、傾斜配置を可能にする設置台を用いればよい（請求項３の発明）。
【００１１】
請求項５の発明は、スターリング冷凍機と熱交換した液冷媒が液タンクに流下し、液冷媒が液タンクの液冷媒流出口を通じて流出するスターリング冷凍機用熱交換器において、液冷媒流出口は間隔をおいて複数有する構造となっている。請求項５の発明によれば、液タンク内の液冷媒が複数箇所から流出され、液タンク内の液溜まりが防止される。なお、各液冷媒流出口側が下位になるよう液タンクの底部に傾斜面を形成するときは、各液冷媒流出口に更にスムーズに液冷媒が流出される（請求項６の発明）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１乃至図５は本発明に係るスターリング冷凍機用熱交換器の第１実施形態を示すもので、図１はショーケースの縦断面図、図２はショーケースの横断面図、図３は横置きされたスターリング冷凍機の側面断面図、図４は横置きされたスターリング冷凍機の正面図、図５は熱交換器の一部省略断面図である。
【００１３】
まず、スターリング冷凍機が設置されたショーケースの概略構造を図１及び図２を参照して説明する。ショーケース１は商品を収納するショーケース本体２と、ショーケース本体２の下方に設置された機械室３とを有し、ショーケース本体２の内部には商品載置用の商品棚４が複数段に設置されている。また、ショーケース本体２の底部には、図２に示すように、Ｌ字状に屈曲した凹所２ａを有し、この凹所２ａに蒸発器５と庫内循環用送風機６が設置されている。一方、機械室３は図１に示すように下方に位置する第１機器設置空間７と上方に位置する第２機器設置空間８とを有している。第１機器設置空間７には放熱器９及び放熱器用送風機１０が設置され、また、第２機器設置空間８にはスターリング冷凍機１１が設置されている。
【００１４】
次に、スターリング冷凍機１１の設置構造を図１〜図５を参照して説明する。スターリング冷凍機１１は周知のもので、その構造を簡単に説明すれば、シリンダ１１ａ内に図示しないディスプレーサーピストンと図示しないパワーピストンを収容しており、シリンダヘッドとディスプレーサーピストンとの間に膨張空間（吸熱空間）を形成する一方、ディスプレーサーピストンとパワーピストンとの間に圧縮空間（放熱空間）を形成している。また、膨張空間と圧縮空間は熱交換を行う図示しない再生器を介して連通している。ここで、各ピストンを所定の位相差で往復動させるときは、シリンダ内の作動流体が膨張空間と圧縮空間との間で循環し、圧縮工程、冷却工程、膨張行程、加熱工程と順次繰り返し、シリンダヘッド側が冷却部１１ｂとなり、一方、シリンダ１１ａの基部側が加熱部１１ｃとなる。なお、加熱部１１ｃには放熱器９に接続した図示しない放熱用コイルが巻回されており、加熱部１１ｃで発生した熱が放熱器９から放出されるようになっている。
【００１５】
スターリング冷凍機１１は設置台１２に設置されている。この設置台１２はスターリング冷凍機１１を横置きに設置するもので、例えば図１、図３及び図４に示すように、設置面１２ａをスターリング冷凍機１１の外形に対応するよう形成し、スターリング冷凍機１１を固定している。また、この設置面１２ａはスターリング冷凍機１１の前端が下方に向かって傾斜するよう設計されている。なお、設置台１２を機械室３に取り付ける際には、第１機器空間７側から図示しない支持部材で固定するようにしてもよいし、また、ショーケース本体２の側壁に直接に固定するようにしてもよい。
【００１６】
スターリング冷凍機１１の冷却部１１ｂには冷媒、例えば二酸化炭素が循環する熱交換器１３が取り付けられている。また、冷却部１１ｂはショーケース本体２の側壁を貫通し、熱交換器１３が図１に示すようにショーケース本体２の凹所２ａ内に配置されている。また、熱交換器１３は冷却部１１ｂの上部に設置された横長のガスタンク１３ａと、冷却部１１ｂの下部に設置された横長の液タンク１３ｂと、冷却部１１ｂの外周面に接触するとともにガスタンク１３ａと液タンク１３ｂに連結する偏平状の熱交換チューブ１３ｃとから構成されている。
【００１７】
ガスタンク１３ａはガス冷媒流入管１４ａを通じて蒸発器５の出口に接続され、液タンク１３ｂは液冷媒流出管１４ｂを通じて蒸発器５の入口に接続されている。また、スターリング冷凍機１１全体が傾斜している分、ガスタンク１３ａ及び液タンク１３ｂの長手方向一端（図３及び図５に向かって左側）が、長手方向他端（図３及び図５に向かって右側）より低くなっている。
【００１８】
熱交換チューブ１３ｃは図５に示すように多数の流路１３ｄが隔壁を介して並設されており、冷却部１１ｂと冷媒の熱交換面積を大きくしている。
【００１９】
ガス冷媒流入管１４ａはガスタンク８ａの長手方向他端側（ガスタンク１３ａの高い箇所）に接続している。液冷媒流出管１４ｂは液タンク１３ｂの長手方向一端側（液タンク１３ｂの低い箇所）に形成された液冷媒流出口１３ｅに接続されている。
【００２０】
ショーケース１の庫内を冷却するときは、スターリング冷凍機１１、放熱器用送風機１０及び庫内循環用送風機６を駆動する。スターリング冷凍機１１の駆動により冷却部１１ｂが冷却される。この冷却作用により熱交換チューブ１３ｃ内のガス冷媒が凝縮され液化する。この液冷媒は液タンク１３ｂに流下し、更に液冷媒流出口１３ｅに流れ、液冷媒流出管１４ｂを通じて蒸発器５に流下する。蒸発器５に流下した液冷媒は庫内循環用送風機６で送風される庫内空気と熱交換する。この熱交換により液冷媒が加熱され蒸発器５で気化しガス冷媒となる。このガス冷媒は蒸発器５からガス冷媒流入管１４ａを通じて上昇しガスタンク１３ａに戻る。ガスタンク１３ａに戻った冷媒は再び熱交換チューブ１３ｃで冷却され液タンク１３ｂに流下する。このような冷媒循環により蒸発器５を通る庫内空気が冷却され、更にはショーケース１の庫内冷却が行われる。
【００２１】
本実施形態によれば、熱交換器１３の液タンク１３ｂのうち、液冷媒流出口１３ｅ側が下位になるよう傾斜しているので、図５に示すように、液冷媒流出口１３ｅ側の液冷媒深さが長手方向他端側の液冷媒深さより深くなっている。従って、液タンク１３ｂ内の液冷媒がスムーズに液冷媒流出口１３ｅに流れ、更には液冷媒流出管１４ｂに流れる。
【００２２】
図６は本実施形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器の第２実施形態を示すものである。前記第１実施形態ではスターリング冷凍機１１の冷却部１１ｂ側が下位になるよう傾斜させているが、本実施家形態では逆にスターリング冷凍機１１の冷却部１１ｂ側が上位となるよう傾斜させている。
【００２３】
即ち、設置台１５の設置面１５ａがスターリング冷凍機１１の冷却部１１ｂ側が上位となるよう形成されている。また、熱交換器１３のガスタンク１３ａの中で上位部分が図６に向かって左側となるため、ガスタンク１３ａのうち左側にガス冷媒流入管１４ａを接続している。また、液タンク１３ｂの中で下位部分が図６に向かって右側となるため、液タンク１３ｂのうち右側に液冷媒流出管１４ｂを接続している。
【００２４】
本実施形態によれば、液冷媒流出管１４ｂが接続する液冷媒流出口（図示しない）が液タンク１３ｂのうちで下位となるよう傾斜されるため、前記第１実施形態と同様に液タンク１３ｂ内の液冷媒がスムーズに液冷媒流出口に導かれ、液冷媒流出管１４ｂから流出される。
【００２５】
なお、その他の構成及び作用は前記第１実施形態と同様であるため、同一構成部分は同一符号を用い、かつ、同一構成部分の説明を省略する。
【００２６】
図７及び図８は本実施形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器の第３実施形態を示すものである。なお、前記第１実施形態と同一構成部分は同一符号を用い、その説明を省略する。
【００２７】
前記各実施形態ではスターリング冷凍機１１を傾斜させた例を示したが、本実施形態ではスターリング冷凍機１１を水平に設置し、液タンク１３ｂの構造を改良したものである。
【００２８】
即ち、設置台１６の設置面１６ａはスターリング冷凍機１１を水平に設置するよう形成されている。また、液タンク１３ｂの底部である底板１３ｆにおいて、長手方向一端（図７及び図８に向かって左側）が、長手方向他端（図７及び図８に向かって右側）より低くなるよう傾斜させ、底板１３ｆの上面１３ｆａに傾斜面を形成する一方、液冷媒流出口１３ｅを液タンク１３ｂの下位に設置している。
【００２９】
本実施形態によれば、液タンク１３ｂの上面１３ｆａが液冷媒流出口１３ｅに向かって下り勾配となっているため、液タンク１３ｂに流下した液冷媒が液冷媒流出口１３ｅを通じてスムーズに液冷媒流出管１４ｂに流れる。
【００３０】
図９は本実施形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器の第４実施形態を示すものである。なお、前記第３実施形態と同一構成部分は同一符号を用い、その説明を省略する。
【００３１】
前記第３実施形態では液タンク１３ｂの底板１３ｆ全体が斜めに形成されているが、本実施形態では底板１３ｇの上面１３ｇａのみが液冷媒流出口１３ｅに向かって下り勾配に形成された構造となっている。本実施形態によれば、前記第３実施形態と同様に液冷媒が上面１３ｇａを通じて液冷媒流出口１３ｅにスムーズに流れる。
【００３２】
図１０は本実施形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器の第５実施形態を示すものである。なお、前記第１実施形態と同一構成部分は同一符号を用い、その説明を省略する。
【００３３】
前記各実施形態では液タンク１３ｂにおいて、液冷媒流出口１３ｅが下位になるよう傾斜させた構造を採用しているが、本実施形態では液タンク１３ｂに複数の液冷媒流出口１３ｅが形成された構造となっている。
【００３４】
即ち、液タンク１３ｂの左右両端に２個の液冷媒流出口１３ｅが設けられている。また、各液冷媒流出口１３ｅには２個の液冷媒流出管１４ｃ，１４ｄがそれぞれ接続され、更に、各液冷媒流出管１４ｃ，１４ｄの下端が他の液冷媒流出管１４ｅに接続された構造となっている。
【００３５】
本実施形態によれば、液タンク１３ｂの複数箇所から液冷媒が流出されるので、液タンク１３ｂ全体から液冷媒が流出し、液タンク１３ｂ内の冷媒残留が防止される。
【００３６】
図１１は本実施形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器の第６実施形態を示すものである。なお、前記第５実施形態と同一構成部分は同一符号を用い、その説明を省略する。
【００３７】
前記第５実施形態では液タンク１３ｂの底板が水平となっているが、本実施形態では底板１３ｈの中央を上位に、また、各液冷媒流出口１３ｅ側が下位になるよう屈曲し、底板１３ｈの上面１３ｈａに傾斜面を形成した構造となっている。
【００３８】
本実施形態によれば、液タンク１３ｂの液冷媒が中央から左右に向かって導かれ、各液冷媒流出口１３ｅを通じてスムーズに各液冷媒流出管１４ｃ，１４ｄに流出する。
【００３９】
図１２は本実施形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器の第７実施形態を示すものである。なお、前記第６実施形態と同一構成部分は同一符号を用い、その説明を省略する。
【００４０】
前記第６実施形態では液タンク１３ｂの底板１３ｉが中央から左右に斜めになっているが、本実施形態では底板１３ｉの上面１３ｉａが各液冷媒流出口１３ｅに向かって下り勾配に形成された構造となっている。本実施形態によれば、前記第６実施形態と同様に液冷媒が上面１３ｉａを通じて各液冷媒流出口１３ｅにスムーズに流れる。
【００４１】
図１３は本実施形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器の第８実施形態を示すものである。なお、前記第６実施形態と同一構成部分は同一符号を用い、その説明を省略する。
【００４２】
前記第１実施形態ではスターリング冷凍機１１を横置きした例を説明したが、本実施形態ではスターリング１１を縦置きした例を示している。
【００４３】
本実施形態に係る設置台１７の設置面１７ａは縦置きされたスターリング冷凍機１１の外形に対応するよう形成され、スターリング冷凍機１１が縦置きで固定されている。また、この設置面１７ａはスターリング冷凍機１１全体が傾斜するよう設計されている。即ち、液タンク１３ｂがガスタンク１３ａより下位になるよう設置され、また、液冷媒流出管９ｂが接続される液冷媒流出口（図示しない）が液タンク１３ｂの下部に接続されている。
【００４４】
本実施形態によれば、ガス冷媒が熱交換チューブ１３ｃを通る際に斜め下方に向かって流れるので、滞留することなくガス冷媒から液冷媒に凝縮され、液冷媒が液冷媒流出口（図示しない）を通じて液冷媒流出管１３ｂからスムーズに流出される。
【００４５】
なお、前記第１，２，８実施形態ではスターリング冷凍機１１を設置台７，１７で固定しているが、スターリング冷凍機１１を傾斜状態で固定できるものであれば、どの様な固定手段を用いるようにしても良い。また、前記各実施形態ではショーケース１に適用した例を説明したが、その他、冷蔵庫、自動販売機、室内空調等各種の機器に適用できることは言うまでもない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜４の本発明によれば、液冷媒流出口側が下位になるよう傾斜させているので、液タンクに流下した液冷媒が傾斜に沿ってスムーズに液冷媒流出口側に流れる。従って、冷媒循環量が増大し、熱交換器効率及び省エネ効果が向上するという利点を有する。請求項５及び６の発明によれば、液タンク内の液冷媒が複数箇所から流出され、液タンク内の液溜まりが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るショーケースの縦断面図
【図２】第１実施形態に係るショーケースの横断面図
【図３】第１実施形態に係る横置きされたスターリング冷凍機の側面図
【図４】第１実施形態に係る横置きされたスターリング冷凍機の正面図
【図５】第１実施形態に係る熱交換器の一部省略断面図
【図６】第２実施形態に係る横置きされたスターリング冷凍機の側面図
【図７】第３実施形態に係る横置きされたスターリング冷凍機の側面図
【図８】第３実施形態に係る熱交換器の一部省略断面図
【図９】第４実施形態に係る熱交換器の一部省略断面図
【図１０】第５実施形態に係る熱交換器の一部省略断面図
【図１１】第６実施形態に係る熱交換器の一部省略断面図
【図１２】第７実施形態に係る熱交換器の一部省略断面図
【図１３】第８実施形態に係る縦置きされたスターリング冷凍機の側面断面図
【符号の説明】
１…ショーケース、２…ショーケース本体、１１…スターリング冷凍機、１１ｂ…冷却部、１３…熱交換器、１３ｂ…液タンク、１３ｅ…液冷媒流出口、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ…液冷媒流出管。

Claims

スターリング冷凍機と熱交換した液冷媒が液タンクに流下し、液冷媒が該液タンクの液冷媒流出口を通じて流出するスターリング冷凍機用熱交換器において、
前記液タンクのうちで前記液冷媒流出口側が下位になるよう傾斜させた
ことを特徴とするスターリング冷凍機用熱交換器。
前記スターリング冷凍機に前記液タンクを連結し、該スターリング冷凍機を傾斜させて前記液冷媒流出口側を下位にした
ことを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
前記スターリング冷凍機を傾斜状態で設置する設置台を有する
ことを特徴とする請求項２記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
前記液タンクの底部に傾斜面を形成して前記液冷媒流出口側を下位にした
ことを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
スターリング冷凍機と熱交換した液冷媒が液タンクに流下し、液冷媒が該液タンクの液冷媒流出口を通じて流出するスターリング冷凍機用熱交換器において、
前記液冷媒流出口は間隔をおいて複数有する
ことを特徴とするスターリング冷凍機用熱交換器。
前記各液冷媒流出口側が下位になるよう前記液タンクの底部に傾斜面を形成した
ことを特徴とする請求項５記載のスターリング冷凍機用熱交換器。